Umgebungswärme

Die Umgebungswärme bezeichnet die Wärme, die in bodennahen Luftschichten, in Oberflächengewässern und in den obersten Metern des Erdreichs vorhanden ist – im Wesentlichen durch Speicherung der Sonnenenergie. Es handelt sich um eine erneuerbare und natürliche Energiequelle, da diese Wärme durch Sonnenenergie entsteht und sich regelmässig erneuert.

Anders entsteht «Geothermie». Diese Erdwärme wird unter anderem aus dem Zerfall der natürlich vorkommenden radioaktiven Elemente gespeist. Die sogenannte «oberflächennahe Geothermie», welche die Nutzung von bis rund 500 Meter Tiefe bezeichnet, steht sowohl für die Wärmenutzung aus Grundwasservorkommen als auch jene, bei der die Wärme mittels Erdwärmesonden zur Wärmepumpe transportiert wird. Damit unterscheidet sich die «oberflächennahe Geothermie» von Geothermie-Nutzungen in grösseren Tiefen. Die in der Tiefe vorherrschenden Temperaturen können direkt zum Heizen und, je nach Tiefe, auch zur Stromproduktion nutzbar gemacht werden.

Wärmepumpen werden heute in den verschiedenen Sektoren für verschiedene Verwendungszwecke eingesetzt. Besonders für Raumheizung und Warmwasser besteht ein grosses Potenzial für die Nutzung von Umgebungswärme und oberflächennaher Geothermie. Die Wärmepumpentechnologie leistet einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Energie- und Klimaziele.

Ein starker Treiber für die Erreichung dieser Ziele ist der Heizungsersatz bei Sanierungen. Bis 2050 müssen rund 900'000 fossile Heizungen (Stand 2019) saniert werden; all diese könnten auf Wärmepumpen umgerüstet werden. Dieses enorme Potential gilt es auszuschöpfen und dementsprechend zu fördern.

Von der Umgebungswärme zur Wärmepumpe

Aufgrund ihres relativ tiefen Temperaturniveaus lässt sich die Umgebungswärme ausschliesslich mit Wärmepumpen in Heizwärme umwandeln. Durch die Leitungen innerhalb der Wärmepumpe zirkuliert ein Kältemittel, das unter Aufnahme der Umgebungswärme bei niedriger Temperatur verdampft und gasförmig wird. Der Dampf wird vom Kompressor auf hohe Temperatur und hohen Druck verdichtet und in den Kondensator geleitet. Das kondensierende Kältemittel gibt die Nutzwärme an den Heizkreis ab. Dabei verflüssigt sich das Kältemittel und kann nun wieder Umgebungswärme aufnehmen. Der Kreislauf beginnt von vorne. Die Nutzenergie zum Heizen ist je nach Wärmequelle ein Vielfaches der aufgenommenen elektrischen Arbeitsenergie, der Wärmepumpenwirkungsgrad (Jahresarbeitszahl JAZ) kann bis zu 400 Prozent (JAZ = 4) betragen – bei der Wärmenutzung aus Geothermie gar bis zu 500 Prozent.

Wärmepumpen arbeiten umso effizienter, je kleiner die Differenz zwischen der Quellentemperatur und der Heizungsvorlauftemperatur ist.

Betrieb einer Wärmepumpe mit der Wärmequelle Luft

Luft, respektive Aussenluft, hat als Wärmequelle den Vorteil, dass sie gegenüber anderen Energiequellen in unbegrenztem Umfang verfügbar und ihre Erschliessung kostengünstig ist. Der Nachteil ist, dass die Aussenluft im Winter am kältesten ist – gerade dann, wenn der maximale Wärmebedarf besteht; die Anlage muss dementsprechend dimensioniert werden.

Betrieb einer Wärmepumpe mit der Wärmequelle Erdreich

Das Erdreich speichert die Sonnenenergie in den obersten Metern. Diese weisen ebenfalls eine saisonale Schwankung auf. Ab ca. 15 Meter Tiefe ist die Bodentemperatur stabil und nimmt danach mit zunehmender Tiefe, abhängig von der lokalen Geologie, um ca. 3 Grad pro 100 Meter zu. Die Wärmepumpe nutzt die Erdwärme aus oberflächennaher Geothermie – z.B. mit bewilligungspflichtigen Erdwärmesonden, die bis 500 Meter in die Tiefe reichen. Erdwärmesonden werden so dimensioniert, dass laufend ausreichend Wärme nachfliesst. Im Untergrund wird kein Material ausgetauscht, sondern nur Wärme. Der von der Erdwärmesonde gekühlte Untergrund wird durch natürliche Wärmeleitung laufend erwärmt. Wird langfristig mehr Wärme entzogen als nachfliessen kann, so muss der Untergrund rechtzeitig regeneriert werden. Ebenfalls aus geschlossenen Kreisläufen bestehen Energiepfähle, Energiekörbe oder Erdregister, die die oberflächennahe Erdwärme in wenigen Metern Tiefe nutzen.

Mit Erdwärmesonden kann man auch kühlen. Geocooling macht sich den Umstand zunutze, dass im Sommer die Temperaturen im Erdreich tiefer sind als die Aussenlufttemperaturen. Durch die Rückführung von Wärme aus dem Haus ins Erdreich kann diese Kälte zur Kühlung genutzt werden.

Betrieb einer Wärmepumpe mit der Wärmequelle Wasser

Die Wärmequelle Wasser nutzt die Umgebungswärme aus Oberflächenseen resp. Flusswasser oder die oberflächennahe Geothermie des Grundwassers im Erdreich. Grundwasser ist mit der konstanten Temperatur während des ganzen Jahres eine ideale Wärmequelle. Die wasserführende Gesteinsschicht wird per Brunnenbohrung erschlossen. Im Gegensatz zu Erdsonden findet ein Materialaustausch (Wasser) statt. Das Grundwasser wird in die Wärmepumpe geleitet, und das abgekühlte Wasser wieder in das Herkunftssystem zurückgeleitet.

Der Schweizer Gebäudepark ist für rund 24 Prozent der Treibhausgase verantwortlich (Stand 2018). Die Nutzung der Umgebungswärme bringt genau in dieser Hinsicht Vorteile. Wärmepumpen arbeiten je nach Stromprodukt ohne CO2-Ausstoss; zudem benötigen sie nur eine geringe elektrische Antriebsenergie, sodass sich der Energieverbrauch in Grenzen hält. Aus 25 Prozent Antriebsenergie und 75 Prozent Umgebungswärme erzeugen Wärmepumpen 100 Prozent Nutzungswärme. Die Wärmeenergie aus der Umgebungsluft und dem Erdreich ist CO2-neutral und erneuerbar. Wird zudem noch Strom aus erneuerbaren Energien eingesetzt, ist die Umweltbelastung einer Wärmepumpe noch geringer.

Im Jahr 2019 wurden in der Schweiz knapp 24'000 Wärmepumpen verkauft – rund 2000 Wärmepumpen mehr als noch im Jahr zuvor. 49 Prozent aller verkauften Wärmeerzeuger waren im Jahr 2019 Wärmepumpen. Aber immer noch 47 Prozent waren Öl- oder Gaskessel, dazu wurden über 10'000 Öl-/Gasbrenner ersetzt. Um bis im Jahr 2050 alle fossilen Heizungen zu ersetzen, müssten pro Jahr rund 40'000 Wärmepumpen installiert werden.

Zudem werden Wärmepumpen immer häufiger mit einer Photovoltaik-Anlage gekoppelt. Der auf dem Dach produzierte Solarstrom kann für die Wärmepumpe verwendet werden. Eigenverbrauch ist wirtschaftlich, ökologisch und kann das Stromnetz entlasten. Eigenverbrauch funktioniert auch in Mehrfamilienhäusern und über ganze Areale hinweg. Zukünftig werden Wärmepumpen verstärkt mit dem Elektrizitätsnetzbetreiber Informationen austauschen und ihren Betrieb kostenoptimiert an die dynamische Netzauslastung anpassen.

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